108 年 國立中央警察大學水上警察研究所海洋科技組《自然科學概論》

本題主要探討水溫對海洋生物的重要性。

水溫是影響海洋物種分布及活動最重要的因素，主要原因如下：

1. 生理機能的基礎：

   • 新陳代謝速率：絕大多數海洋生物是變溫動物（或稱冷血動物），其體溫隨環境水溫變化。水溫直接影響其體內酵素活性，進而決定新陳代謝速率。較高水溫通常意味著較快的新陳代謝，能促進生長、繁殖和活動；反之，低水溫則會減緩這些過程。
   • 生長與繁殖：特定的溫度範圍是物種生存、生長和繁殖的關鍵。許多物種有其最適宜的溫度範圍，超出此範圍可能導致生長停滯、繁殖失敗甚至死亡。例如，珊瑚礁的白化現象就與水溫升高密切相關。
   • 蛋白質結構與功能：溫度會影響蛋白質的空間結構。過高或過低的溫度都可能導致蛋白質變性，喪失其生物功能，進而影響細胞和個體的生存。

2. 氧氣溶解度：

   • 水溫越高，水中溶解的氧氣量越少。這對需要氧氣進行呼吸作用的海洋生物（尤其是魚類和無脊椎動物）來說，是極為重要的限制因素。在溫暖的淺水區，氧氣含量可能成為限制生物密度的關鍵。

本題考查優養化的成因與其對海洋環境造成的衝擊。

一、優養化的發生原因：

優養化是指水體（包括湖泊、河流、沿海區域）中，由於過量的營養鹽（主要是氮 N 和磷 P）進入，導致藻類和水生植物過度生長，進而引發一系列生態系統失衡的現象。其主要發生原因如下：

1. 人為污染源（最主要）：

   • 生活污水：未經妥善處理的家庭污水含有大量的氮、磷，來自於排泄物、清潔劑等。
   • 農業徑流：農田施肥（氮肥、磷肥）後，雨水沖刷將肥料帶入附近水體。
   • 工業廢水：部分工業製程會排放含氮、磷的廢水。
   • 畜牧業廢水：養殖場的廢水含有大量動物排泄物，富含氮、磷。
   • 大氣沉降：燃燒化石燃料產生的氮氧化物，經大氣循環後沉降到水體。

2. 自然因素（相對次要）：

   • 地質構造中的磷、氮元素溶解。
   • 季節性的生物分解過程。

二、優養化對海洋環境造成的衝擊：

優養化會引發一系列嚴重的環境問題：

1. 藻華（Algal Blooms）：

   • 過量的營養鹽刺激藻類（尤其是藍綠藻或矽藻）大量繁殖，形成密集的藻華，使水體呈現綠色、褐色或紅色。
   • 藻華會阻擋陽光穿透水體，影響水下植物（如海草、珊瑚）的光合作用，導致其死亡。

2. 生物大量死亡（缺氧）：

   • 當藻類死亡後，會沉降到水底，被好氧性細菌分解。大量的藻類分解需要消耗大量的溶解氧。

本題考查兩種測量海流的主要方法：歐拉法與拉格朗日法。

這兩種方法是海洋學中用來描述和測量水體運動（海流）的兩種基本視角。

一、歐拉法 (Eulerian Method)

• 內涵：歐拉法是一種「定點觀測」的方法。觀測者固定在一個空間位置（例如，海岸邊的測站、固定在海底的儀器、或漂浮在海面上的浮標），記錄通過該固定點的水流速度和方向隨時間的變化。
• 觀測重點：關注的是「在某個特定地點」，流體質點的速度如何隨時間改變。
• 儀器舉例：
  • 海流計 (Current meter)：固定在某個深度，測量該點水的流速和流向。
  • ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)：可以測量一個固定點上方或下方不同深度處的水流速度剖面。
  • 浮標（固定式）：固定在某個位置，透過感測器記錄流經的數據。
• 優點：
  • 能提供某一點長時間內的流速變化資訊，有利於分析潮汐、季節性變化等。
  • 儀器相對容易布設和回收（若固定在海底或岸邊）。
• 缺點：
  • 無法得知水團的實際移動路徑。
  • 若測站周圍有複雜的渦旋或地形影響，數據可能無法代表大範圍的水流。

二、拉格朗日法 (Lagrangian Method)

本題考查馬祖「藍眼淚」的成因。

「藍眼淚」是一種在夜間發光的海洋現象，主要由一種稱為夜光藻 (Noctiluca scintillans) 的單細胞浮游生物所引起。

成因說明如下：

1. 夜光藻的存在：

   • 夜光藻是一種渦鞭毛藻（Dinoflagellate），在特定條件下數量會大量繁殖，形成「赤潮」或「藻華」。
   • 牠們本身不是藍色的，但其細胞質內含有稱為「螢光素」（luciferin）的化學物質。

2. 生物螢光 (Bioluminescence)：

   • 夜光藻之所以能在夜間發光，是因為牠們具有生物螢光的能力。
   • 當夜光藻受到機械性刺激時（例如海浪拍打、船隻經過、魚蝦游動、甚至人為擾動），牠們會活化細胞內的螢光素，透過化學反應釋放出藍色的冷光。
   • 這種光是「冷光」，意即發光過程本身不會產生顯著的熱量。

3. 觸發條件（環境因素）：

   • 營養鹽豐富：馬祖海域的地理位置和水文條件，有時會帶來豐富的營養鹽，有利於夜光藻的繁殖。

本題考查潤滑油的六大功用之一：「密封作用」。

潤滑油在機械運轉中除了最廣為人知的降低摩擦、減少磨損外，還扮演著多種重要的角色。其中，「密封作用」是指潤滑油在機械零件之間所能發達的屏障功能。

潤滑油的「密封作用」具體是指：

1. 阻止污染物進入：
   • 在運動的機械零件之間，例如活塞與汽缸壁之間、軸承與軸承座之間，潤滑油會在零件表面形成一層油膜。
   • 這層油膜能夠有效阻止外部的灰塵、沙粒、水分、金屬碎屑等污染物滲入到精密運動的部件內部。
   • 污染物進入後會加劇磨損，甚至導致機械故障，因此潤滑油的密封作用對於維持機械的清潔和長壽命至關重要。

本題考查柴油機噴油時間延後對引擎性能的影響及其原因。

柴油機的運轉原理是將燃油在高溫壓力的空氣中進行壓燃（自燃），而非像汽油機那樣點燃。噴油時間的精確控制對柴油機的燃燒效率和性能至關重要。

當柴油機的噴油時間「延後」（即在活塞已接近上止點或剛過上止點時才噴油），會產生以下現象及其原因：

1. 最高壓力下降：

   • 原因：柴油機的燃燒過程應在活塞接近上止點、壓縮行程即將結束時開始。此時氣缸內的空氣溫度和壓力都達到最高，有利於燃油的快速、完全燃燒，產生最大的膨脹壓力。
   • 如果噴油時間延後，意味著噴油和燃燒開始時，活塞已經開始向下運動。這使得燃燒過程在更小的氣缸容積內進行，且膨脹空間更大，使得燃燒產生的壓力峰值來不及在短時間內累積並達到最高點，甚至一部分燃燒產生的能量在活塞下移過程中就已部分轉化為功，導致最高壓力下降。

2. 引擎出力下降：

   • 原因：引擎的出力（功率）主要來自於燃燒產生的氣體對活塞做功。做功的大小與燃燒產生的壓力峰值及其作用範圍有關。
   • 當最高壓力下降時，氣體膨脹對活塞推動的平均壓力（Mean Effective Pressure, MEP）也會下降。
   • 此外，延後噴油可能導致燃燒不完全或燃燒過程不理想，進一步降低了燃燒釋放的有效能量。
   • 因此，總體做功減少，引擎出力自然下降。

本題考查板式熱交換器中，熱傳板製成波紋型的功用。

板式熱交換器（Plate Heat Exchanger, PHE）是一種高效的熱交換設備，其核心部件是波紋狀的金屬板片。將這些板片壓製成波紋型，主要有以下幾項關鍵功用：

1. 增加熱交換表面積 (Increase Heat Transfer Area)：

   • 波紋的設計使得板片表面積比光滑平面大得多。
   • 熱交換的效率與表面積成正比，更大的表面積意味著在相同體積下，能夠進行更有效的熱量傳遞。

2. 增強流體湍流 (Enhance Turbulence)：

   • 當流體（熱流體和冷流體）通過波紋板片之間的狹窄通道時，波紋的起伏會迫使流體產生湍流。
   • 湍流比層流（Laminar flow）具有更高的對流傳熱係數。這是因為湍流能將靠近板壁的較冷（或較熱）的流體不斷捲入流體主流中，減少邊界層的厚度，從而促進熱量傳遞。
   • 波紋的類型（如人字形、橫向、垂直形等）可以設計來控制湍流的強度和方向，以達到最佳的傳熱效果。

3. 提供結構支撐與強度 (Provide Structural Support and Strength)：

核心觀念：
本題測驗的是「機艙資源管理（Engine Room Resource Management，簡稱 ERRM）」的內涵與目的，屬於海事安全與船員協作的概念，重點在於提升機艙人員的情境感知、溝通與決策效率，以降低人因失誤、確保船舶機械系統安全運作。

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詳盡解說

1. ERRM 的定義與背景

• 定義：Engine Room Resource Management（機艙資源管理）是依循 International Maritime Organization (IMO) 與 STCW（海事人員培訓、發證與值班規章） 所倡導的「人因管理」概念，將 Crew Resource Management (CRM) 的原理套用於機艙作業環境。
• 背景：1970 年代以來，航空業先行推行 CRM，顯著降低事故率。IMO 於 2000 年代將相同理念納入《國際海事組織安全管理章程（ISM Code）》與《海上人員培訓、發證與值班規章（STCW）》之中，要求商船必須針對機艙操作制定 ERRM 程序與訓練。

2. ERRM 的主要內容（六大構面）

架構	具體說明	為何重要
(a) 任務與角色分工	明確界定機艙值班長、機務員、輪值工程師等職責，並規範交接程序。	防止職責重疊或遺漏，確保每項操作都有負責人。
(b) 情境感知（Situation Awareness）	透過儀表、警示系統與例行檢查，保持對機械、燃油、冷卻、水、排氣等系統的即時了解。	早期發現異常，避免故障惡化。
(c) 有效溝通	建立標準化通訊語句（如“Engine Room 1‑1”）與重點確認（read‑back）程序，鼓勵跨層級的資訊回報。	減少資訊傳遞失誤，提升協同效率。
(d) 決策與判斷	依據 SOP（Standard Operating Procedures）與緊急情況手冊，使用 先備方案（contingency plan） 進行風險評估與決策。	在壓力下仍能做出正確判斷，降低人因錯誤。
(e) 工作負荷管理	監控值班時間、輪班休息與精神狀態，避免疲勞與過度工作。	疲勞是多數機艙事故的主要因素之一。
(f) 事後回顧與持續改進	事後分析（de‑brief）與安全報告機制，將學習點寫入訓練手冊與 SOP。	形成循環學習，持續提升安全文化。

註：上述六大構面在 STCW 第 III/5（《機艙資源管理》）與 ISM Code 的「安全管理計畫」中均有明文規範。

核心觀念
本題測驗的是兩種主要蒸氣鍋爐的工作原理：Water‑Tube（管內水）鍋爐與Scotch（散熱管）鍋爐（屬於 Fire‑Tube，管外水）。必須了解熱傳遞方向、循環方式、主要組件及適用範圍，才能正確說明其「operation concepts」。

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Water‑Tube 鍋爐的 operation concept

1. 熱源與熱流方向

   • 燃燒室產生燃燒氣體，熱氣體沿管外流，管內充滿水/蒸氣。熱從管壁傳至內部水流，形成管內加熱。

2. 水/蒸氣循環

   • 水由給水泵送入蒸汽產生管（下部），因受熱而部分汽化，產生的蒸氣上升至上部蒸汽集管（或 蒸汽筒），與較冷的回流水在氣體分離器中分離。
   • 循環形成自然循環（部分水管鍋爐）或強制循環（以水泵驅動），確保熱水在管內均勻受熱。

3. 蒸汽分離與過熱

   • 在蒸汽筒內，產生的蒸汽被分離器或蒸汽分離器分離出來，送往過熱管（Superheater）再被加熱至所需超熱度。

4. 主要組件

   • 給水泵、管束（Water‑tube）、蒸汽筒（Steam drum）、分離器（Separator）、過熱器（Superheater）、再熱器（Reheater）（若有）以及燃燒室（Furnace）。

5. 適用場景

   • 高壓（> 10 MPa）與大容量需求，如船舶主機、發電廠。因管壁面積大、熱傳效率高，且可快速排除管內水垢。

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Scotch（散熱管）鍋爐的 operation concept

（Scotch 為典型的 Fire‑Tube 鍋爐，亦稱 Scotch Marine Boiler）

1. 熱源與熱流方向
   • 燃燒產生的熱氣體經 燃燒室 進入多根水平火管（或曲管），熱氣體在管內流動，管壁外側被大量水環繞，熱從氣體

解析重點

• 此題測驗的是 波的數學描述（海面波動）以及 波的基本參數（振幅、波長、頻率、相位）之間的關係。
• 正確的波形必須用 正弦（或餘弦）函數 表示，且要把空間坐標 $x$ 與時間 $t$ 同時納入，才能完整描述海面上波峰與波谷的移動。

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完整解題過程

1. 先建立波的物理概念

海面波是一種 簡諧波，其形狀在空間上呈週期性，且隨時間向前傳播。

• 振幅 $A$：波峰（或波谷）相對於靜止水面的最大位移。
• 波長 $\lambda$：相鄰兩個相同相位（如兩個波峰）之間的水平距離。
• 角頻率 $\omega$：單位時間內相位改變的角度，$\omega = 2\pi f$，其中 $f$ 為頻率（Hz）。
• 波數 $k$：單位長度內相位的變化量，$k = \dfrac{2\pi}{\lambda}$。

2. 建立一般形式的波動方程式

對於一維向右傳播的簡諧波，最常見的數學表達式為

$y(x,t)=A\sin\bigl(kx-\omega t+\phi\bigr)$

其中

• $y(x,t)$ 為 海面高度（相對於平均水位），單位為米 (m)。
• $\phi$ 為 初相位，決定波在 $t=0,\;x=0$ 時的起始位置。
• 若波向左傳播，符號改為 $kx+\omega t$。